Что произойдет, если вы поместите руку перед пучком 7 ТэВ на LHC?

Ну, есть невероятная история о парне, который действительно засунул голову в протонный пучок, русском ученом Анатолии Петровиче Бугорском . Это произошло на подмосковном синхротроне У-70 в Институте физики высоких энергий.

Но дело в том, что на самом деле он не чувствовал никакой боли. Он действительно страдал от эпилептических припадков и повреждений кожи и головного мозга. Цитата из:

Что случилось бы...?

Бугорский склонился над частью оборудования, когда он просунул голову в ту часть, через которую проходил протонный пучок. Сообщается, что он увидел вспышку «ярче тысячи солнц», но не почувствовал боли. Луч измерял около 2000 грей, когда он вошел в череп Бугорски, и около 3000 грей, когда он вышел после столкновения с внутренней частью его головы.

Чтобы было ясно, грей — это единица поглощенной энергии, а 1 грей равен 1 джоулю/кг. Для сравнения, компьютерная томография работает в диапазоне ~ 50 мГр, а лучевая терапия — в диапазоне ~ 50 Гр. Странно то, что если вы подвергаетесь облучению >5 Гр, это обычно приводит к летальному исходу. Но это относится к обычному излучению, гамма-излучению. Эффект протонного пучка менее известен.

Протоны в пучке могут быть ускорены до ~70 ГэВ, что составляет 1/2000 диапазона LHC. Есть также светимость луча, которая является мерой количества частиц, пролетающих через единицу площади в единицу времени. БАК может достигать 10 ^ 34 1 / (см ^ 2 с ^ 2), а U-70 около 10 ^ 32 1 / (см ^ 2 с ^ 2). Таким образом, самой наивной оценкой было бы увеличение дозы облучения на 10 ^ 3 - 10 ^ 5, но это больше похоже на верхнюю границу.

Он не разрушит вашу руку и не оторвет ее. Но последствия радиации довольно серьезны, и в итоге вы получите руку мутанта.

Неправильно направленный луч в CEBAF просто прорезал дыру в ниобиевой стенке резонатора и залил половину ускорителя гелием (для работы сверхпроводящих резонаторов требуется оболочка из жидкого гелия...).

Мы пропадали больше недели.

Это электронно-лучевая машина, и очень большой ток (до$400\,\mathrm{\mu A}$!), поэтому детали будут несколько отличаться от луча LHC.

Так же, о$60\,\mathrm{\mu A}$из$5.5 \,\mathrm{GeV}$лучи от этой машины частично расплавили одну из моих железных мишеней (достаточно толстую, чтобы около 6% луча взаимодействовало с мишенью), несмотря на растровое распределение луча по примерно$2\,\mathrm{mm}^2$, потому что у нас не было достаточно хорошего теплового контакта с водоохлаждаемым каркасом трапа-мишени.

Высокоэнергетические, сильноточные лучи могут нести большую мощность.

Вернемся к заданному вопросу:

Относитесь к своей руке как к воде. В буклете с данными о частицах потеря энергии на протон составляет около$2.5\,\mathrm{MeV/g/cm}^2$или что-то вроде$4$–$8\,\mathrm{MeV}$хотя ваша рука, в зависимости от того, насколько вы пухлые. (Мы лишь на несколько порядков превышаем минимальную энергию ионизации, так что это не очень чувствительно к фактической энергии луча.)

Филипп говорит $1.2 \times 10^{11}$протонов на пучок в кольце, около 11 000 проходов в секунду ($3.0 \times 10^8\,\mathrm{m/s} / 27\,\mathrm{km}$), так$1.3 \times 10^{15}$протонов в секунду$8 \times 10^{15}\,\mathrm{MeV/s} = 1300\,\mathrm{J/s}$представляет собой изрядное количество тепла и приводит к нагреву примерно$300\,\text{K/s/(cubic cm exposed)}$. Чтобы закончить здесь, нам нужно кое-что узнать о диаметре луча.

Ваше рефлекторное время, чтобы двигать рукой, находится в порядке$0.1$–$0.2$секунды.

Это будет больно: вы получите сильный ожог, и повреждение будет распространяться на всю глубину обнаженной плоти, а не ограничиваться поверхностью, как с контактными ожогами, с которыми мы все знакомы.

Каждый сгусток протонов, циркулирующих в LHC на полной мощности, будет иметь около 120 миллиардов протонов по 14 ТэВ каждый, т.е.$1.6 \times 10^{24}$эВ, что составляет около 250000 Дж. Сравните это с мощной винтовочной пулей, несущей 1000 Дж, или небольшой гранатой, выбрасывающей 600 000 Дж.

Но сколько этой энергии высвободится в вашей руке? Говорят, что протоны на БАК могут проникать в медь на глубину 10 м, поэтому многие из них могут пройти через 2 см плоти, не теряя при этом много энергии. Это означает, что разрушительная энергия, высвобождаемая в руке, может составлять всего 1/1000 всей энергии луча, так что это может быть похоже на попадание маленькой пули.

Я думаю, этого будет достаточно, чтобы нанести большой урон. Это также будет в форме высокоэнергетического излучения, которое будет распространяться от точки удара. Трудно сказать, сколько энергии будет преобразовано в различные формы, такие как тепло и взрыв, и в каких направлениях, но в любом случае я думаю, что будет много первоначальных повреждений, а радиация после эффектов также будет иметь потенциал для быть фатальным.

Последнее редактирование: возможно, стоит упомянуть, что они могут распространять до 2800 таких связок одновременно, так что это может быть больше похоже на попадание 2800 маленьких пуль за долю секунды.

Редактировать: вопрос был изменен с 14 ТэВ на 7 ТэВ для правильной энергии пучка LHC, поэтому используйте половину приведенных выше чисел.

То, что сказал Гиббс (+1), за исключением того, что, поскольку луч очень релятивистский, вероятность того, что излучение будет отправлено в направлениях, отличных от линии луча, очень мала. Вы можете увидеть это, взглянув на проблему в системе отсчета центра масс для типичного столкновения. Поскольку специальная теория относительности увеличивает массу протонов в пучке, центр масс продуктов столкновения по-прежнему будет двигаться почти со скоростью света.

По сути, он просверлит болезненную дыру в вашей руке диаметром менее 1 мм, в зависимости от того, как он сфокусирован. Отвал луча LHC принимает пучок диаметром 0,3 мм. О влиянии пучков протонов более низкой энергии см. http://www.aapm.org/meetings/09PRS/documents/Flanz_AAPM_Final.pdf .

Между прочим, причина, по которой у физиков на YouTube не было реалистичных ответов, в том, что они думали на ходу. Думаю, это был вопрос из засады.

Еще в 1970-х годах были некоторые исследователи, которые помещали семена в путь луча, чтобы посмотреть, что произойдет. Растения, выросшие из семян, были деформированы. Нужно было бы посмотреть это, чтобы получить подробности.

Если вы поместите руку в луч БАК, возникает один вопрос: что повредит больше всего; повреждения из-за того, что высокоэнергетические частицы врезаются в ядра в вашей руке, или след от высокоскоростной обуви, который вы получите на своей заднице. Разумное количество энергии луча будет отложено в вашей руке, где первичный ущерб будет нанесен ядрами, взорванными на кусочки протонами, и вторичным излучением от них. У вас будет радиационное поражение. Однако я подозреваю, что это будет сравнимо с получением радиации от синхротронного источника. Большинство поврежденных клеток погибнет, у слабо поврежденных могут произойти изменения генома, которые могут привести к трансформированным клеткам, возможно, даже к неконтролируемому росту клеток. Неконтролируемый рост клеток в соматических клеточных линиях — это то, что мы называем раком.

В 2003 году на Тэватроне произошла авария, похожая на то, о чем здесь спрашивают. Один из римских горшков CDF случайно попал в луч. На самом деле он просто коснулся ореола, потому что, я думаю, после этого все автоматически отключилось. Я помню, что видел тогда несколько фотографий... вы можете поискать их в Google.

Это будет очень похоже на то, как если бы я поместил свою руку в лазерный луч. Однажды я сдал кровь на анализ, и врач взял кровь не иглой, а лазерным пенетратором. Это было быстро и безболезненно, клетки кожи испарились за мгновение.